Verbindungssysteme für Holzkonstruktionen · Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Holzbau und Baukonstruktionen

www.kit.edu

Verbindungssysteme für Holzkonstruktionen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.J. Blaß

Versuchsanstalt für Stahl, Holz und SteineHolzbau und Baukonstruktionen

2 08.10.2012

Stiftförmige Verbindungsmittel

Bolzen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.J. BlaßVerbindungssysteme für Holzkonstruktionen



3 08.10.2012


Stabdübel



4 08.10.2012 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.J. BlaßVerbindungssysteme für Holzkonstruktionen


Gewindestangen





Nägel




Schrauben





Klammern


8 08.10.2012

Beanspruchungsarten stiftförmiger VM

Beanspruchung auf Abscheren:Bolzen, Stabdübel, Gewindestangen, Nägel, Schrauben, Klammern

Beanspruchung auf Herausziehen:Bolzen, Gewindestangen, Nägel, Schrauben, Klammern

Beanspruchung auf Hineindrücken:Gewindestangen, Schrauben










Tragfähigkeit bei Beanspruchung auf Abscheren

Starr - plastisches Verhalten der Stifte bei Biegung und des Holzes bei Lochleibung



FFmax

0 u




MMmax

0



Sprödes Biegeversagen nicht zulässig




Johansens Modell

t 1 t 2

R

R

fh, 1

My

fh, 2

fh, 1





17 08.10.2012

v,Rk h,1,k 1F = f t d

v,Rk h,2,k 2F = 0,5 f t d

ax,y,kh,1,k 1v,Rk 2

h,1,k 1

Rk4 (2+ ) Mf t dF = 2 (1+ )+ -

2+ f d t

F1,05

4

v,Rk y,k h,1,kax,RkF

12

F = 2 M f d1

,1+

54

Zweischnittig beanspruchte Stifte



18 08.10.2012

v,Rk h,1,k 1F = f t d

y,k h,1,k modmod

y,k h,1,k

M f kk1, 2 M f d 2 d

1,3 1,1 1,315

Zweischnittig beanspruchte Stifte

h,1,k mod

v,Rd h,1,d 1 1M

f kF = f t d = t d

v,Rk y,k h,1,kax,RkF

12

F = 2 M f d1

,1+

54




19 08.10.2012

Schnittgrößen

M y

fh,2

My

f

M

y

fh,1

yMf

R1

2s s 1

R2

x x1 2

H1

N1

N2Q1

2Q1H 2H

H 2

1,mod,1

1,mod,2

Seileffekt



20 08.10.2012

Gleichgewicht im unverformten Zustand VM 3

2v,Rk ax,Rk y,k h,1,k( cos sin ) (1 tan ) 2 cos F F M d f

11,

ax,Rk2

1,

cosmin

cos

k

k

sf d

Fs

f d

Seileffekt




21 08.10.2012

v,2

Rk ax,Rk y,k h,1,kcos sin tan( ) ( c1 ) 2 s oF F M d f

11,

ax,Rk2

1,

cos

cos

mink

k

sf d

Fs

f d

0:

Seileffekt

Gleichgewicht im unverformten Zustand VM 3



22 08.10.2012

0:

v,Rk ax,Rk y,k h,1,k0,25 2 F F M d f

Seileffekt




23 08.10.2012

kax = 0,15 für runde, glattschaftige Nägel

kax = 0,25 für quadratische, glattschaftige Nägel

kax = 0,5 für profilierte Nägel

kax = 1,0 für Schrauben

kax = 0,25 für Bolzen und Passbolzen

kax = 0 für Stabdübel

Fax,Rk ist der charakteristische Wert des Ausziehwider-standes bzw. des Kopfdurchziehwiderstandes

v,Rk ax Rk,Johansen ax,Rk∆F = min k F ; 0,25 F

Seileffekt



24 08.10.2012

Vollgewindeschrauben 10x300 in GL24hEinschnittig, dickes Stahlblech






26 08.10.2012

Eurocode 5, Abschnitt 8.1.3:

(1) In mehrschnittigen Verbindungen sollte die Tragfähigkeit pro Scherfuge unter der Annahme bestimmt werden, dass jede Scherfuge Teil einer Reihe von zweischnittigen Verbindungen ist.

(2) Um in einer mehrschnittigen Verbindung die Tragfähigkeiten der einzelnen Scherfugen kombinieren zu können, hat in der Regel der vorherrschende Versagensmechanismus der Verbindungsmittel in der entsprechenden Fuge mit jedem anderen verträglich zu sein und sollte nicht aus einer Kombination der Versagensmechanismen (a), (b), (g) und (h) aus Bild 8.2 oder der Versagensmechanismen (c), (f) und (j/l) aus Bild 8.3 mit anderen Versagensmechanismen bestehen.




27 08.10.2012 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.J. Blaß


28 08.10.2012

Mehrschnittige Verbindungen




29 08.10.2012

Eurocode 5, Abschnitt 8.1.3:

(1) In mehrschnittigen Verbindungen sollte die Tragfähigkeit pro Scherfuge unter der Annahme bestimmt werden, dass jede Scherfuge Teil einer Reihe von zweischnittigen Verbindungen ist.

(2) Um in einer mehrschnittigen Verbindung die Tragfähigkeiten der einzelnen Scherfugen kombinieren zu können, hat in der Regel der Versagensmechanismus der Verbindungsmittel in der entsprechenden Fuge mit jedem anderen verträglich zu sein. Versagensmechanismen (j) aus Bild 8.2 oder (g) und (k) aus Bild 8.3 sind nur in den beiden äußeren Scherfugen möglich.






31 08.10.2012

Mehrschnittige Verbindungen




Verbindungen mit Stabdübeln

Vorbohren des Holzes oder Holzwerkstoffes mit dem Nenndurchmesser

Vorbohren von Stahlblechen bis zu d + 1 mm

Durchmesser zwischen 6 mm und 30 mm

Mindestens zwei Stabdübel, mindestens vier Scherflächen




Johansens Modell


34 08.10.2012

17,5

14,0

10,5

7,0

3,5

00 3 6 9 12 15

u (mm)

F (

kN)

t2/d = 12

t2/d = 6

t2/d = 2





Versagensformen in Verbindungen



Spalten

a1

a2,ca2

a1,t




Wirksame Anzahl der Stabdübel

0,9 14ef

an =min n ; n

13 d

In Kraft- und Faserrichtung

Rechtwinklig zur Faserrichtung

efn n



Wirksame Anzahl nef

Wirk

sam

e A

nzah

l nef

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10

Anzahl n

= 0°

= 90°



39 08.10.2012

Verstärkung mit selbstbohrenden Holzschrauben



40 08.10.2012

Stoppen des Risswachstums durch Schrauben




41 08.10.2012

Unverstärkte Verbindung:Versagen durch Spalten



42 08.10.2012

Last-Verschiebungsverhalten

0

50

100

150

200

250

300

0 3 6 9 12 15Verschiebung [mm]

Last

[kN

]

Unverstärkt

Verstärkt





Rd

Rd

hd

Rd

6·R

a1

0,41a 10 d n

0

10

20

30

40

50

60

0 3 6 9 12 15

Verschiebung [mm]

La

st

R je

Sc

he

rfu

ge

un

d V

erb

ind

un

gs

mit

tel [

kN

]

F

Deformation [mm]

Load

[kN]



0,41a 10 d n

0

10

20

30

40

50

60

0 3 6 9 12 15

Verschiebung [mm]

La

st

R je

Sc

he

rfu

ge

un

d V

erb

ind

un

gs

mit

tel [

kN

]Rd

Rd

Rd

Rd

1a

h8·Rd

F

Deformation [mm]

Load

[kN]




F

Rd

Rd

Rd

Rd

1a

h8·Rd0,4

1a 10 d n

0

10

20

30

40

50

60

0 3 6 9 12 15

Verschiebung [mm]

La

st

R je

Sc

he

rfu

ge

un

d V

erb

ind

un

gs

mit

tel [

kN

]

Deformation [mm]

Load

[kN]



Rd

Rd

Rd

Rd

1a

h8·Rd0,4

1a 10 d n

0

10

20

30

40

50

60

0 3 6 9 12 15

Verschiebung [mm]

La

st

R je

Sc

he

rfu

ge

un

d V

erb

ind

un

gs

mit

tel [

kN

]

F

Deformation [mm]

Load

[kN]



47 08.10.2012

Verstärkte Verbindung:Lochleibungs-versagen







Verbindungen mit Holzschrauben

Schrauben mit teilweise glattem Schaft:

Vorbohren erforderlich für d > 6 mm

Wirksamer Durchmesser = Schaftdurchmesserwenn Einbindetiefe des Schaftes ≥ 4 d

Nicht gehärtet nach dem Gewindeformen

Niedrige Zug-, Biege- und Torsionstragfähigkeit



Kein VorbohrenGehärtet, hohe Zug-, Biege- und TorsionstragfähigkeitDurchmesser bis 14 mmLängen bis 1500 mm

Holzschrauben nach ETA



51 08.10.2012

Beanspruchung auf Abscheren

Wirksamer Durchmesser def = 1,1 Kerndurchmesser

Schrauben nach ETA:Wirksamer Durchmesser def = Gewindeaußendurchmesser

Lochleibungsfestigkeit nicht vorgebohrt: fh,k = 0,082 k d-0,3

Lochleibungsfestigkeit vorgebohrt: fh,0,k = 0,082 k (1-0,01d)

v,Rk ax,Rk y,k h,k0,25 2 F F M d f




Fachwerkwirkung

0,5·F 0,5·F

F




Fax

Fc,90

F0

FR

Fachwerkwirkung



Fachwerkwirkung

F0

Fax,c

Fax,t




Axial beanspruchte Schrauben

Versagensmechanismen:

Herausziehen, Hineindrücken oder Ausknicken

Kopfdurchziehen

Zugversagen



Withdrawal = Shear failure

Herausziehen = Scherversagen des Holzes




Ausknicken



Kopfdurchziehen




Zugversagen


60 08.10.2012

Schraubenverbindung im Stahlbau

Source: Project KI-Smile






62 08.10.2012

Fachwerkknoten

Photo: Wiehag




63 08.10.2012

Frankfurter Messehalle 11

Photo: Atlas Copco



64 08.10.2012

Geneigte Schrauben in Stahl-Holz-Verbindungen

Photo: Atlas Copco




65 08.10.2012

Geneigte Schrauben in Stahl-Holz-Verbindungen

Photo: Atlas Copco



66 08.10.2012

Vollgewindeschrauben 10x400 in GL24hEinschnittig, dickes Stahlblech





Wirksame Anzahl axial beanspruchter Schrauben

0,9efn n

In Kraft- und Schraubenachsrichtung

Geneigt angeordnete Schrauben

n = 99

Eurocode 5:nef = 990,9 = 62,5 = 0,63 n

nef nach Lantos (siehe STEP C15):

nef 0,97 n

nef = 110,9 0,97 = 62,5 = 0,76 n ?



Fachwerkträger - Satteldachträger



69 08.10.2012

Fachwerkträger für den industriellen Holzbau




BS-Holz

BS-Holz

Brettsperrholz

B - B

A - A



71 08.10.2012


Anschluss der Zug- und Druckstäbe

Schwächung der Gurte in den Knoten



72 08.10.2012

Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH

Allgemeines

Axial beanspruchte Holzschrauben können hohe Kräfte übertragen

Steife Verbindung (Blaß, Bejtka und Uibel 2006)

Unbekanntes Langzeitverhalten bei = 0°Schrauben werden unter 90° zur Faser eingebracht

Ausziehtragfähigkeit von Schrauben in Brettsperrholz entspricht der Tragfähigkeit von rechtwinklig zur Faserrichtung eingedrehten Schrauben in Vollholz bzw. Brettschichtholz (Blaß und Uibel 2007)

Längslagen von Brettsperrholz stehen zur Übertragung der Normalkräfte zur Verfügung




73 08.10.2012


Versagen der Verbindung:

Stahlversagen



74 08.10.2012



Stahlversagen

Rollschubversagen




75 08.10.2012




76 08.10.2012



Stahlversagen

Rollschubversagen

Scherversagen in der Mantelfläche des Schraubengewindes




77 08.10.2012


Verbindungsmittel: SFS Gewindestange

Variation der Einschraublängen, Verbindungsmitteldurchmesser, Randabstände und Verbindungsmittelabstände untereinander

daußen 16 mm 20 mm

dinnen 12 mm 15 mm

MW Zugtragfähigkeit 100 kN 175 kN

MW Ausziehwiderstand; Einschraublänge 400 mm

94 kN 115 kN



78 08.10.2012


Gewindestangen werden parallel zur Längsachse der Füllstäbe in die vorgebohrten Querlagen eingedreht und anschließend axial belastet (DIN EN 1382)




79 08.10.2012


VersuchsprogrammGewindestangen werden parallel zur Längsachse der Füllstäbe in die vorgebohrten Querlagen eingedreht und anschließend axial belastet (DIN EN 1382)



80 08.10.2012


Versuchsprogramm

Gesamtprüfkörperlänge = 3,5 · Einschraubtiefe

L_ad L_ad1,5*L_ad




81 08.10.2012


Versuchsprogramm

Gesamtprüfkörperlänge = 3,5 · Einschraubtiefe

Querzugverstärkung durch Vollgewindeschrauben



82 08.10.2012

Versagensbilder eingeklebte Stahlstäbe

Zugversagen des HolzesAufspalten des Holzes




83 08.10.2012


Durchmesser: 20 mm

Randabstand: 3·d - 2,5·d - 2·d

Verstärkung über komplette Einschraublänge

Anzahl Holzversagen: 26

Anzahl Stahlversagen: 4



84 08.10.2012


Durchmesser 20 mm

Durchmesser: 20 mm


Verstärkung über komplette Einschraublänge



90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

Au

szi

eh

wid

ers

tan

d in

kN

20_1_600

20_1_600v

20_1_700

20_2_700

20_2_600

20_4_800

R_ax,k

3 * d600 mm

2,5 * d700 mm

2 * d800 mm

3 * d600 mm (v)

3 * d700 mm

2,5 * d600 mm




85 08.10.2012


Durchmesser: 16 mm






86 08.10.2012


65

70

75

80

85

90

95

100

105

Au

szie

hw

ider

stan

d in

kN

16_1_500

16_2_500

16_4_500

R_ax,k

3 * d 2,5 * d 2 * d

Durchmesser 16 mm




87 08.10.2012


Untersuchung des Gruppeneffekts

3 VM nebeneinander

Randabstand: 2·d ÷ 2,5·d

Verbindungsmittelabstand: 3·d ÷ 4·d

3*d - 4*d 3*d - 4*d 2*d2*d



88 08.10.2012





89 08.10.2012


Ergebnissed ℓef a1,c f1,k f1,mean

in mm in mm in mm in N/mm² in N/mm²16_1 48 11,3 12,616_2 40 11,1 12,416_4 32 11,0 12,3

20_1_600 600 12,4 13,720_1_600v 600 11,8 13,120_1_700 700 10,7 11,920_2_600 600 8,7 11,320_2_700 700 10,6 11,8

20_4 800 80 8,9 10,216_3_1 10,3 11,516_3_2 9,8 10,920_3_1 9,9 11,420_3_2 9,5 10,6

n

1

3

60

50

32

50

16 500

20 400

Reihe

16 500

20

40



90 08.10.2012

Zusammenfassung Zuganschlüsse

Gewindestangen sind prädestiniert für den Einsatz in Fachwerkträgern.

Ein sprödes Verhalten sollte durch Stahlversagenvermieden werden.

Querlagendicke muss größer sein als der Gewindeaußendurchmesser.

Eine Querzugverstärkung am Zugstabende verhindert zuverlässig das Aufspalten.

Die Qualität der Verklebung im Brettsperrholz muss gewährleistet sein.




91 08.10.2012

Versatzformen

Stirnversatz

Fersenversatz

Doppelter Versatz

Mehrfacher Versatz

Treppenversatz

Druckanschluss – Versätze


92 08.10.2012


Treppenversatz

Maximale Fersenanzahlbei = 45°

90°

90°

90°

hS

90

2

tv

hS

tv

100 mm

160 mm

320 mm

5 mm 12 21 43

10 mm 5 9 21

20 mm 2 4 9




93 08.10.2012


Treppenversatz

Passgenauigkeit



94 08.10.2012


Versuchsdurchführung

DIN EN 26891

Versagen bei Lastabfall oder 15 mm Verschiebung

45°

F

Teflon

HEM 140




95 08.10.2012


Versuchsergebnis

Stirnversatz

GL28h (Strebe: b / h = 120 / 160 mm)

= 45°

tv = 30 mm

Druckbeanspruchung unter einem Winkel ‘

MW = 128 kN



96 08.10.2012


Versuchsergebnis

Doppelter Versatz

GL28h (Strebe: b / h = 120 / 160 mm)

= 45°

tv = 30 mm

Druckversagen des Stirnversatzes

Querzugriss zwischen Stirn und Ferse

MW = 209 kN




97 08.10.2012


Versuchsergebnis

Treppenversatz

GL28h (Strebe: b / h = 120 / 160 mm)

= 45°

tv = 10 mm

Querdruckversagen

Querdehnung


MW = 216 kN



98 08.10.2012


Versuchsergebnis

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Verschiebung in Strebenlängsrichtung in mm

Kra

ft in

kN

Stirnversatz

Doppelter VersatzTreppenversatz




99 08.10.2012


Versuchsergebnis

Treppenversatz Hybrid

GL28h (Strebe: b/h = 120/100 mm)

= 45°

tv = 10 mm

Druckversagen in der Stirn


Querdruckversagen im Nadelholz

MW = 310 kN

(1)



100 08.10.2012


(1)


Versuchsergebnis

Treppenversatz Hybrid

GL28h (Strebe: b/h = 120/100 mm)

= 45°

tv = 10 mm

Druckversagen in der Stirn


Querdruckversagen im Nadelholz

MW = 310 kN



101 08.10.2012


Versuchsergebnis

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8


Kra

ft in

kN

Stirnversatz

Doppelter VersatzTreppenversatz

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


Kra

ft in

kN

Treppenversatz BSH

Treppenversatz Hybrid-BSH



102 08.10.2012


Ausblick

Nur Fersenversätze

Querdrucknachweis bei ≥ 45°

Reihe4

(9 Fersen)5

(5 Fersen)

Fest,c,90 223 kN 157 kN

FVersuch 216 kN 158 kN

30 mm 30 mm




103 08.10.2012

Zusammenfassung Druckanschlüsse

Versatzanschlüsse stellen sehr tragfähige Verbindungen für eine Druckbeanspruchung dar.

Der Treppenversatz zeigt eine hohe Tragfähigkeit bei gleichzeitig minimierter Schwächung des Gurtes.

Gurte aus Brettschichtholz mit äußeren Lagen aus Buchen- oder Eschenholz erhöhen die Tragfähigkeit gegenüber Fichte auf das Doppelte.

Eine Bemessung scheint über einen Querdrucknachweis einfach möglich zu sein.



104 08.10.2012


Schwächung der Gurte in den Knoten




105 08.10.2012

Querschnittsschwächung –Einfluss auf die Druckfestigkeit

Druckversuche:

Anzahl: 150 Versuche

Bauteilabmessung: 480 mm / 80 mm / 200 mm

Querschnittsschwächung

Ungeschwächt

Bohrung

Schlitz und Bohrungen

80

200200

16

150

55

6

3030

305

5



106 08.10.2012


Druckversuche:

0,71 0,80 1,00Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.J. BlaßVerbindungssysteme für Holzkonstruktionen



107 08.10.2012


Druckversuche:

Ungeschwächt



108 08.10.2012


Druckversuche:





109 08.10.2012


Druckversuche:

Bohrung



110 08.10.2012

5530

3030

55

40

6

4040 40

16

80

200


Druckversuche:

Die Tragfähigkeit druckbeanspruchter Querschnitte ist mit der Nettoquerschnittsfläche nachzuweisen.

Querschnittsschwächungen, die dauerhaft mit einem Material satt ausgefüllt sind, dessen Elastizitätsmodul mindestens dem des Querschnittes entspricht, brauchen nicht berücksichtigt zu werden.

1,0 0,8 0,711,0 0,92




111 08.10.2012

25

30

35

40

45

50

55

400 420 440 460 480 500 520

Rohdichte in kg/m³

Dru

cksp

an

nu

ng

(b

rutto

)

in N

/mm

²

Ungeschwächt

Bohrung

Schlitz

MW Ungeschwächt

MW Bohrung

MW Schlitz

42,1 N/mm² = 100 %

33,3 N/mm² = 79 %

31,1 N/mm² = 74 %


Druckversuche:

Ergebnisse



112 08.10.2012


Druckversuche:

Ergebnisse

30

35

40

45

50

55

400 420 440 460 480 500 520

Rohdichte in kg/m³

Dru

cksp

an

nu

ng

(n

etto

)

in N

/mm

²

Ungeschwächt

Bohrung

Schlitz

MW Ungeschwächt

MW Bohrung

MW Schlitz




113 08.10.2012


Druckversuche:

Ergebnisse

fc,0,k = 24 N/mm² nach DIN 1052 (GL24h)

TypFmax,Versuch

in kN

Ec,0

in N/mm²

fc,brutto

in N/mm²

fc,netto

in N/mm²

Typ 1

Ungeschwächt

673

592

13047

10765

42,1 .. Mittelwert

37,0 .. 5%-Quantil

Typ 2

Bohrung

535

482

12305

10401

33,3

30,1

41,8

37,6

Typ 3

Schlitz

498

458

10843

9407

31,1

28,6

43,7

40,2



114 08.10.2012 Markus Enders-Comberg

Druckversuche:

VG-Schrauben




115 08.10.2012

Querschnittsschwächung –Einfluss auf die Zugfestigkeit

Zugversuche:

Anzahl: 90 Versuche

Prüfkörper: 3800 mm / 80 mm / 200 mm

Querschnittsschwächung

Ungeschwächt

Bohrung


200

80

150

3800

5530

3030

55

40

6

40



116 08.10.2012

Entwicklung von Fachwerkträgern für den industriellen Holzbau

Zugversuche:

Anetto/Abrutto = 1,0



ft,brutto = 28,9 N/mm²






117 08.10.2012


Zugversuche:

15

20

25

30

35

40

45

50

10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000

E-Modul nach EN 408 in N/mm²

Zug

span

nung

im N

etto

quer

schn

itt in

N/m

m²

UngeschwächtBohrungSchlitzMW UngeschwächtMW BohrungMW Schlitz

28,87 N/mm² = 100%

32,02 N/mm² = 111%

35,00 N/mm² = 121%



118 08.10.2012


Zugversuche:

15

20

25

30

35

40

45

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Bauteillänge in mm

Sim

ulie

rte

ch

arak

teri

stis

ch

e B

rett

sch

ich

tho

lz-

Zu

gfe

stig

kei

t in

N/m

m²

ft,0,g,k,ref = 28,5 N/mm²

ℓref = 5400 mm

0,8 * ft,0,g,k,ref = 22,8 N/mm²




119 08.10.2012

Zusammenfassung Querschnittsschwächung

Auch satt ausgefüllte Querschnittsschwächungen zeigen einen signifikanten Einfluss auf die Drucktragfähigkeit von Brettschichtholzbauteilen.

Der Einfluss einer Querschnittsschwächung bei Zugbeanspruchung ist wegen des Längeneinflusses auf die Zugfestigkeit geringer als bei Druckbeanspruchung.




Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Verbindungssysteme für Holzkonstruktionen · Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft